2008/07/27

Ilya Prigogine, al orden por el azar

Siguiendo con el espíritu del post anterior, una especie de lectura para el verano que hace referencia a uno de mis más admirados científicos: Ilya Prigogine.


¿Pueden unas cuantas moléculas, anodinas e inertes, autoorganizarse en una estructura compleja como por arte de magia? La ciencia de buena parte del siglo XX , del XIX y épocas anteriores no habría dudado en negarlo, pero Ilya Prigogine, Premio Nobel de Química de 1977, demostró con su teoría sobre las estructuras disipativas que este tipo de autoorganización era posible y, además, no puras casualidades. La cienca había conseguido muchos éxitos a base de desmenuzar los sistemas en sus partes más sencillas, en estudiar la linealidad, los sucesos simplificados y reversibles en el tiempo: trayectorias ideales, sistemas sin rozamientos, pequeñas fluctuaciones cerca del equilibrio, etc. En base a estos logros había universalizado una serie de resultados y principios que parecían inamovibles y lejos de ellos, en una especie de cuarto trastero, había desterrado todo lo que no se amoldaba a esa realidad idealizada. Por desgracia ese "mínimo" reducto incluía los propios orígenes biológicos y a la misma vida, al tiempo irreversible y a la inmensa mayoría de los procesos, mucho más complejos que simples idealizaciones, que ocurren en nuestro Universo.

Las bases de la revolución que ha producido Prigogine, con su teoría de las estructuras disipativas, se habían sentado a finales del siglo XIX, con la elaboración de la segunda ley de la termodinámica y la acuñación, por Clausius, de un término que ha resultado, posteriormente, casi mítico, la entropía. Esta magnitud es una medida del desorden de un sistema, nos da una idea del número de configuraciones posibles del mismo y nos señala el sentido de su evolución (entropía, en griego, significa evolución). En base a la segunda ley de la termodinámica, en un sistema aislado su evolución siempre será en el sentido en que se produzca la máxima entropía y se igualen sus desequilibrios. En la expresión de Boltzmann, la entropía S es igual a K log N, es decir, proporcional al logaritmo del número posible de configuraciones N del sistema. Cuando se produce el equilibrio ese número es máximo y el sistema se encuentra en un estado de máximo desorden.

Pero en el equilibrio o cerca de él, no se produce nada interesante y todo es lineal. Cuando pueden ocurrir cosas sorprendentes es lejos del equilibrio: si llevamos un sistema lo bastante lejos del equilibrio, entra en un estado inestable con relación a las perturbaciones en un punto llamado de bifurcación. A partir de entonces la evolución del sistema está determinada por la primera fluctuación, al azar, que se produzca y que conduzca al sistema a un nuevo estado estable. Una fluctuación origina una modificación local de la microestructura que, si los mecanismos reguladores resultan inadecuados, modifica la macroestructura. Lejos del equilibrio, la materia se autoorganiza de forma sorprendente y pueden aparecer espontáneamente nuevas estructuras y tipos de organización que se denominan estructuras disipativas. Aparece un nuevo tipo de orden llamado orden por fluctuaciones : si las fluctuaciones del ambiente aumentan fuera de límite, el sistema, incapaz de disipar entropía a ese ambiente, puede a veces "escapar hacia un orden superior" emergiendo como sistema más evolucionado.


En estos nuevos tipos de estructuras y orden se basan la vida, la organización de un termitero, los ecosistemas y las propias organizaciones y sociedades humanas. Pero lo más importante es que este nuevo orden en el que el determinismo y el azar se llevan de la mano si que es un universal. Estas estructuras, al igual que la vida no aparecen y progresan por pura casualidad o accidente como se creía.


Me despido con unas palabras de Prigogine:"... En nuestro tiempo, nos hallamos muy lejos de la visión monolítica de la física clásica. Ante nosotros se abre un universo del que apenas comenzamos a entrever las estructuras. Descubrimos un mundo fascinante, tan sorprendente y nuevo como el de la exploración de la infancia."

Nota explicativa sobre la figura: Hacia 1900, Henri Bénard realizó una serie de experiencias de convección en capas delgadas, con la superficie superior expuesta al aire, que presentaron características muy peculiares. En estas experiencias una capa delgada de fluido era calentada desde abajo (así llevamos al sistema lejos del equilibrio), se establecía el flujo convectivo y se observaba en la superficie un diagrama complicado (autoorganización) que consistía en la división poligonal en celdas similares a un mosaico. El diagrama llegaba a ser un ordenamiento acabado de hexágonos regulares dispuestos como en un panal de abejas, como se indica en la figura.

8 comentarios:

Hector1564 dijo...

Hola Salvador,
Me encanta tu blog y me gustaría hacerte una pregunta un poco de primaria pero es que la duda me corroe.
La pregunta es: La segunda ley de la termodinámica, ¿es una ley verdaderamente inviolable en cualquier sistema o es una ley cuya violación es altamente improbable? Si es lo primero ¿cómo podemos avanzar al big crunch sin violarla? Creo que esto se preguntaba Penrose y no me quedaron claras las respuestas.
Y si es lo segundo, entonces las leyes del universo no serían ya tiempo-reversibles, ¿no?

Saludos

Salvador dijo...

Se entiende como estadísticamente altamente improbable, como sería improbable tirar 10 000 veces una moneda y que salieran 9 500 caras.

El Big Crunch sería un estado muy diferente a la singularidad inicial, donde se creó el propio espacio-tiempo, lee la entrada :
http://labellateoria.blogspot.com/2007/09/el-big-bang-una-explosin-en-perfecto.html

Prácticamente, todos los procesos "reales" son irreversibles.

El caso de la moneda nos puede ayudar a entenderlo, se puede idealizar el proceso, pero en la cruda realidad la tendencia es aplastante y definitiva.

Hector1564 dijo...

Gracias por responderme Salvador.

Dices:Se entiende como estadísticamente altamente improbable
Es lo que yo entendía, pero siempre se habla de la entropía como una ley y eso me despista.
Pero la hipótesis de que la segunda ley sólo es probalilista y en consecuencia cualquier proceso es reversible ¿no es una hipotésis no falsable? Pues en la práctica como tu bien dices todos los procesos son irreversibles. ¿No se estará escapando en esa creencia mala ciencia o hay algún tipo de explicación que nos obligue a creer en la reversibilidad?

Por otro lado, si no estoy en un error, Prigogine sí creía que era una ley y por tanto el universo se regía por leyes que no eran tiempo-reversibles. El tiempo es constructivo.
Corrígeme si me equivoco, por favor.

Por último, ¿no hay una gran similitud entre los sistemas autopoiéticos y las estructuras disipatitivas?

Saludos

Ender el Xenocida dijo...

Felicidades por tu blog.
Así pues, la vida, la complejidad, es una situación estable lejos del equilibrio, manteniendo una entropía muy pequeña, que tiende a la muerte (de nuevo al equilibrio termodinámico)...
Saludos.

Ender el Xenocida dijo...

Saludos Hector.
En mi opinión, debemos considerar el problema microscópico al que hace referencia la Entropía. Ese carácter tan improbable de que un proceso sea reversible es consecuencia de la aleatoriedad de las partículas.
En cualquier proceso, la energía que se pierde por aleatoriedad -en forma de calor- podría ser recuperada, ya que el movimiento de las partículas, como consecuencia de ese calor, puede redirigirse de nuevo de manera organizada y transformarse en trabajo llevándonos al estado anterior al proceso. Esa posibilidad de ser reversible no puede negarse. Hacerlo sería negar la aleatoriedad -homogenea e isotrópica- de las partículas.
Por eso, entiendo, la 2ª Ley es probabilística.
No puede ser de otro modo, ya que nos describe el efecto macroscópico de una realidad en constante aleatoriedad.
¡Negarlo es negar la Teoría Cinética!
Saludos.

Salvador dijo...

En cualquier proceso real, debemos entender el orden de magnitud al que nos enfrentamos. Órdenes, por ejemplo, de 10 ^20 moléculas en apenas unos gramos de gas, por ejemplo, que tenderán de forma aleatoria a la distribución más probable . Al final, en un recinto dividido en dos partes será, practicamente, imposible encontrarlas "todas" en una de las partes. Sin embargo, teóricamente, no es imposible.

Como la llamada "ley" de los grandes números en estadística.

Los sistemas autopoiéticos serían un tipo de estructuras disipativas.

Un saludo.

Mike Parga dijo...

Tus entradas siiempre me dejan muy satisfecho, es muy bueno lo que escibes y como lo escribes.
Te he otorgado un premio simbólico que se dan en los blogs, puedes visitar mi espacio para que veas como es la cosa.
Saludos.
Excelente entrada.

Hector1564 dijo...

Salvador, Ender gracias por la respuesta ;-)